氮化镓GaN让射频功率放大器飞翔

ludakailu

本文介绍了半导体技术的现状，该技术通过更短的栅极长度 GaAs 和 GaN 晶体管实现了新的发展，实现最佳性能的电路设计考虑因素，以及展示当今技术的 GaAs 和 GaN 宽带功率放大器 (PA) 的示例。
电信领域对更高数据速率和工业系统更高分辨率的需求不断增长，推动支持它们的电子设备的工作频率更高。许多这些系统在很宽的频谱上运行，进一步增加带宽要求是对新设计的普遍要求。在许多这些系统中，都在推动对所有频段使用一个信号链。半导体技术的进步带来了高功率和宽带放大器能力的突破。
由于 GaN 革命席卷整个行业并使 MMIC 能够在数十年的带宽内产生大于 1 W 的功率，因此曾经由行波管主导的领域已经开始让位于半导体器件。随着更短的栅极长度 GaAs 和 GaN 晶体管的面世，再加上改进的电路设计技术，可以在毫米波频率下舒适地运行的新设备正在面世，开启了十年前难以想象的新应用。本文将简要描述支持这些发展的半导体技术的状态、实现最佳性能的电路设计考虑因素，以及展示当今技术的 GaAs 和 GaN 宽带功率放大器 (PA) 的示例。
许多无线电子系统在很宽的频率范围内工作。在军事工业中，雷达频段从几百 MHz 到几 GHz。需要在非常宽的带宽上工作的电子战和电子对抗系统。威胁可能来自各种频率，例如 MHz 到 20 GHz，甚至现在更高的频率。随着更多电子产品在更高频率下可用，对更高频率电子战系统的需求将激增。在电信领域，基站的工作频率范围为 450 MHz 至 ~3.5 GHz，并且随着对更多带宽的需求不断增加，基站的频率还在不断增加。卫星通信系统主要从 C 波段到 Ka 波段运行。用于测量这些不同电子设备的仪器需要在所有要求的频率范围内工作才能被普遍接受。
因此，系统工程师在尝试设计覆盖整个频率范围的电子设备时面临挑战。考虑到让一个信号链覆盖整个频率范围的可能性，大多数系统工程师和采购人员都会非常兴奋。让一个信号链覆盖整个频率范围有很多优势，包括更简单的设计、更快的上市时间、更少的组件库存管理等等。单一信号链方法的挑战始终与宽带解决方案与窄带解决方案带来的性能下降有关。这一挑战的核心是功率放大器，当在窄带宽上调谐时，它通常在功率和效率方面具有卓越的性能。

半导体技术
在过去的几年里，行波管 (TWT) 放大器在许多这些系统中作为输出功率放大器级在高功率电子设备中占据主导地位。TWT 有一些不错的属性，包括 kWs 的功率能力、在八度音程甚至多个八度音程带宽上运行、回退条件下的高效率以及良好的温度稳定性。TWT 有一些缺点，包括长期可靠性差、效率低以及需要非常高的工作电压（~1 kV 或更高）。鉴于半导体 IC 的长期可靠性，从 GaAs 开始，多年来一直在推动这些电子产品。
在可能的情况下，许多系统工程师已经努力将多个 GaAs IC 组合起来以产生大的输出功率。整个公司的创建完全基于结合技术并有效地进行。有许多不同类型的组合技术，例如空间组合、公司组合等。这些组合技术都遭受相同的命运——组合有损失，理想情况下，您不必使用这些组合技术。这促使我们使用高功率电子设备来开始设计。增加功率放大器射频功率的最简单方法是增加电压，这使得氮化镓晶体管技术如此具有吸引力。
如果我们比较各种半导体工艺技术，我们可以看到功率通常如何随着高工作电压 IC 技术而增加。硅锗 (SiGe) 技术使用 2 V 至 3 V 的相对较低的工作电压，但因其集成优势而极具吸引力。GaAs 多年来一直广泛用于微波频率的功率放大器，工作电压为 5 V 至 7 V。在 28 V 下工作的硅 LDMOS 技术已在电信中使用多年，但主要用于 4 GHz 以下，所以它在宽带应用中并没有被广泛使用。
在碳化硅 (SiC) 等低损耗、高导热衬底上以 28 V 至 50 V 电压运行的 GaN 技术的出现开辟了一系列新的可能性。今天，硅基氮化镓技术仅限于在 6 GHz 以下运行。与硅衬底相关的射频损耗及其与 SiC 相比较低的热导率会随着频率的增加而影响增益、效率和功率。图 1 显示了各种半导体技术的比较以及它们之间的比较。

GaN 技术的出现推动了行业从 TWT 放大器转向使用 GaN 放大器作为其中许多系统的输出级。许多这些系统中的驱动放大器仍然通常是 GaAs，因为这种技术的大部分已经存在并不断改进。接下来，我们将研究如何使用电路设计从这些宽带功率放大器中提取尽可能多的功率、带宽和效率。与基于 GaAs 的设计相比，基于 GaN 的设计当然能够提供更高的输出功率，并且设计考虑因素大致相同。

设计注意事项
在选择如何开始设计以优化功率、效率和带宽时，IC 设计人员可以使用不同的拓扑和设计考虑因素。最常见的单片放大器设计类型是多级、共源、基于晶体管的设计，也称为级联放大器设计。在这里，每一级的增益都成倍增加，从而导致高增益并允许我们增加输出晶体管的尺寸以增加 RF 功率。GaN 在这里提供了好处，因为我们能够大大简化输出组合器，减少损耗，从而提高效率，并缩小芯片尺寸，如图 2 所示。

因此，我们能够实现更宽的带宽并提高性能。从 GaAs 转向 GaN 器件的一个不太明显的好处是实现给定的 RF 功率水平，可能是 4 W——晶体管尺寸会更小，从而导致每级更高的增益。它将导致每个设计的阶段更少，并最终提高效率。这种级联放大器技术的挑战在于，即使在 GaN 技术的帮助下，也很难在不显着降低功率和效率的情况下实现一个倍频程以上的带宽。
Lange耦合器
实现宽带宽设计的一种方法是在 RF 输入和输出上使用兰格耦合器实现平衡设计，如图 3 所示。这里的回波损耗最终取决于耦合器设计，因为优化增益和功率变得更容易频率响应，而无需优化回波损耗。即使使用兰格耦合器，在一个倍频程上实现带宽也变得更加困难，但它们确实为设计提供了非常好的回波损耗。

分布式放大器
下一个要考虑的拓扑是图 4 中所示的分布式功率放大器。分布式功率放大器的好处是通过将晶体管的寄生效应合并到设备之间的匹配网络中来实现的。器件的输入和输出电容可以分别与栅极和漏极线电感结合，使传输线几乎透明，不包括传输线损耗。通过这样做，放大器的增益应仅受器件跨导的限制，而不受与器件相关的电容寄生效应的限制。
只有当沿栅极线传输的信号与沿漏极线传输的信号同相时才会发生这种情况，因此每个晶体管的输出电压与之前的晶体管输出同相。传输到输出端的信号将产生相长干扰，因此信号沿漏极线增长。任何反向波都会破坏性地干扰，因为这些信号不会同相。包括栅极线终端以吸收未耦合到晶体管栅极的任何信号。包括漏极线路终端以吸收任何可能破坏性干扰输出信号并改善低频回波损耗的反向行波。
因此，能够实现从 kHz 到许多 GHz 的数十倍带宽。当需要超过一个倍频程的带宽时，这种拓扑很流行，并且有一些不错的好处，例如平坦的增益、良好的回波损耗、高功率等。分布式放大器的图示如图 4 所示。

布式放大器面临的一个挑战是功率能力由施加到设备上的电压决定。由于没有窄带调谐能力，您实际上是为晶体管或接近晶体管提供 50 Ω 阻抗。当我们考虑功率放大器的平均功率方程时，PA 的平均功率、RL 或最佳负载电阻基本上变为 50 Ω。因此，可实现的输出功率由施加到放大器的电压决定，如果我们想增加输出功率，我们需要增加施加到放大器的电压。


这就是 GaN 变得非常有用的地方，因为我们可以快速从使用 GaAs 的 5 V 电源电压转换为使用 GaN 的 28 V 电源电压，并且只需从 GaAs 更改为 GaN 技术，可实现的功率就从 0.25 W 增加到接近 8 W . 还有其他需要考虑的因素，例如 GaN 中可用工艺的栅极长度，以及它们是否可以在频带的高频端实现您需要的增益。随着时间的推移，更多的这些 GaN 工艺变得可用。
与级联放大器相比，分布式放大器的 50 Ω 固定 RL 不同，级联放大器通过匹配网络来改变呈现给晶体管的电阻值，以优化放大器的功率。优化呈现给具有级联放大器的晶体管的电阻值的好处在于它可以提高射频功率。从理论上讲，我们可以继续增加晶体管外围尺寸以继续增加 RF 功率，但是这存在实际限制，例如复杂性、裸片尺寸和组合损耗。
匹配网络也倾向于限制带宽，因为它们变得难以在宽频率上提供最佳阻抗。在分布式功率放大器中，只有传输线的目的是使信号沿放大器产生相长干扰，而不是匹配网络。还有其他技术可以进一步提高分布式放大器的功率，例如使用共源共栅放大器拓扑进一步增加放大器的电压供应。
结果
我们已经表明，有多种技术和半导体技术可以在提供最佳功率、效率和带宽方面进行权衡。这些不同的拓扑和技术中的每一种都可能在半导体世界中占有一席之地，因为它们都提供了好处，这就是它们存活至今的原因。在这里，我们将重点关注一些我们认为可以展示当今使用这些技术实现高功率、高效率和高带宽的可能性的结果。
今天的产品能力
我们将研究工作频率为 dc 至 30 GHz 的基于 GaAs 的分布式功率放大器，这是 ADI 公司发布的产品 HMC994A. 这部分很有趣，因为它涵盖了数十年的带宽、许多不同的应用程序，并实现了高功率和高效率。性能如图 5 所示。在这里我们看到饱和输出功率覆盖 MHz 至 30 GHz，功率超过 1 W，功率附加效率 (PAE) 标称值为 25%。该特定产品还具有标称 38 dBm 的强大三阶截获 (TOI) 性能。该结果表明，使用基于 GaAs 的设计，我们能够实现接近许多窄带功率放大器设计可能达到的效率。鉴于频率的正增益斜率、高 PAE、宽带功率性能和强大的回波损耗，使 HMC994A 成为一个有趣的产品。


看看基于 GaN 的技术可以实现什么也很有趣。ADI 公司提供标准产品 HMC8205BF10(PDF)，它基于 GaN，结合了高功率、效率和带宽。该产品采用 50 V 电源供电，以 35% 的标称效率提供 35 W 的射频功率，功率增益约为 20 dB，覆盖了十多年的带宽。在这种情况下，与 GaAs 中的类似方法相比，单个 IC 能够提供大约 10 倍的功率。在过去的几年里，这需要复杂的 GaAs 芯片组合方案，而这种方案无法达到相同的效率。该产品展示了覆盖宽带宽并提供高功率和效率的 GaN 技术的可能性，如图 6 所示。它还展示了高功率电子封装技术的进步，因为该部件安装在能够支持连续波的法兰封装中许多军事应用所需的 (CW) 信号。

图 6. HMC8205BF10 功率增益、P SAT和 PAE 与频率的关系。
概括
GaN 等新型半导体材料的出现为达到覆盖宽带宽的更高功率水平开辟了可能性。更短的栅极长度 GaAs 器件的频率范围从 20 GHz 扩展到 40 GHz 甚至更高。这些设备的可靠性在文献中显示超过 100 万小时，使它们在现代电子系统中无处不在。我们预计更高频率和更宽带宽的趋势将持续到未来。

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